FR2802335A1 - MINI-ENVIRONMENT MONITORING SYSTEM AND METHOD - Google Patents
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Abstract
Le dispositif selon l'invention comprend une enceinte individuelle (1) pour contenir un échantillon (3) et pour l'isoler de l'extérieur. Un réseau de micropompes (5) solidaire de l'enceinte individuelle (1), génère et maintient un vide contrôlé dans l'enceinte individuelle (1). Des moyens de transfert (6) permettent d'introduire ou d'extraire l'échantillon (3) dans l'enceinte individuelle (1). Les micropompes du réseau de micropompes (5) peuvent être d'un type fonctionnant par effet de transpiration thermique. Des microcapteurs de température (8), de pression (9), et un analyseur de gaz (10) permettent de contrôler le fonctionnement du réseau de micropompes (5) par l'intermédiaire d'un microcalculateur embarqué (11). On contrôle ainsi l'atmosphère qui entoure un échantillon (3).The device according to the invention comprises an individual enclosure (1) for containing a sample (3) and for isolating it from the outside. A network of micropumps (5) integral with the individual enclosure (1), generates and maintains a controlled vacuum in the individual enclosure (1). Transfer means (6) make it possible to introduce or extract the sample (3) in the individual enclosure (1). The micropumps of the micropump network (5) can be of a type operating by thermal transpiration effect. Temperature (8) and pressure (9) microsensors, and a gas analyzer (10) make it possible to control the operation of the network of micropumps (5) via an on-board microcomputer (11). This controls the atmosphere surrounding a sample (3).
Description
SYSTEME ET PROCEDE DE CONTROLE DE MINIENVIRONNEMENTMINI-ENVIRONMENT MONITORING SYSTEM AND METHOD
La présente invention concerne les dispositifs et procédés pour contrôler l'atmosphère qui entoure un échantillon tel que par The present invention relates to devices and methods for controlling the atmosphere surrounding a sample such as by
exemple une tranche de substrat pour fabrication de semi- example a substrate wafer for semi-manufacturing
conducteurs, ou tout autre élément en cours de test ou de fabrication. Dans l'industrie du semi-conducteur, par exemple, des systèmes de manutention de substrat sont actuellement utilisés pour isoler ces derniers des agents contaminants des salles blanches. Le principe réside dans l'introduction du substrat dans un boîtier contenant de l'azote sous pression. Il n'y a pas de contrôle de l'atmosphère embarquée sur boîtier. Un inconvénient est dû à la présence de l'azote, qui nécessite une étape transitoire de conductors, or anything else being tested or manufactured. In the semiconductor industry, for example, substrate handling systems are currently used to isolate them from contaminants in clean rooms. The principle lies in the introduction of the substrate into a housing containing nitrogen under pressure. There is no control of the atmosphere on board the housing. A disadvantage is due to the presence of nitrogen, which requires a transitional stage of
dégazage avant le traitement sous vide du substrat. degassing before the vacuum treatment of the substrate.
Un but de l'invention est de concevoir un dispositif qui permette de mettre et de conserver l'échantillon dans une atmosphère contrôlée qui soit la plus proche possible des conditions de traitement ou d'utilisation de l'échantillon, en évitant ou en réduisant sensiblement les étapes transitoires de modification et d'adaptation d'atmosphère qui étaient nécessaires entre plusieurs opérations successives de traitement ou de contrôle An object of the invention is to design a device which makes it possible to place and store the sample in a controlled atmosphere which is as close as possible to the conditions of treatment or use of the sample, avoiding or substantially reducing the transitional stages of modification and adaptation of atmosphere which were necessary between several successive operations of treatment or control
de l'échantillon.of the sample.
Selon l'invention, on cherche à mettre et conserver According to the invention, we seek to put and keep
l'échantillon au plus près des conditions d'usage ou de traitement. the sample as close as possible to the conditions of use or treatment.
Pour cela, un dispositif de contrôle selon l'invention comprend, pour le contrôle de l'atmosphère qui entoure un échantillon: - une enceinte individuelle étanche conformée pour contenir l'échantillon et pour l'isoler de l'atmosphère extérieure en laissant une atmosphère intérieure de volume réduit autour de l'échantillon, - un réseau de micropompes, solidaire de l'enceinte individuelle et adapté pour générer et maintenir un vide contrôlé dans l'enceinte individuelle, le réseau de micropompes étant connectable à une source d'énergie électrique, - des moyens de transfert pour introduire ou extraire l'échantillon For this, a control device according to the invention comprises, for controlling the atmosphere which surrounds a sample: - a sealed individual enclosure shaped to contain the sample and to isolate it from the outside atmosphere leaving an atmosphere interior of reduced volume around the sample, - a network of micropumps, integral with the individual enclosure and adapted to generate and maintain a controlled vacuum in the individual enclosure, the network of micropumps being connectable to a source of electrical energy , - transfer means for introducing or extracting the sample
dans l'enceinte individuelle.in the individual enclosure.
Selon un premier mode de réalisation, l'ensemble formé par l'enceinte individuelle et le réseau de micropompes est un ensemble autonome portable incluant une source interne d'énergie électrique pour alimenter au moins temporairement le réseau de micropompes. Il est ainsi possible de déplacer l'échantillon entre deux postes de travail successifs, sans nécessiter d'opération transitoire de dégazage telle que celle qui était nécessaire avec les conteneurs à According to a first embodiment, the assembly formed by the individual enclosure and the micropump network is a portable autonomous assembly including an internal source of electrical energy to supply at least temporarily the micropump network. It is thus possible to move the sample between two successive workstations, without requiring a transient degassing operation such as that which was necessary with the containers with
azote sous pression.nitrogen under pressure.
Selon une autre application, l'ensemble formé par l'enceinte individuelle et le réseau de micropompes peut être fixe et constitue alors une chambre de transfert dans une installation According to another application, the assembly formed by the individual enclosure and the micropump network can be fixed and then constitutes a transfer chamber in an installation.
de fabrication de semi-conducteurs.semiconductor manufacturing.
Selon une possibilité avantageuse, notamment pour constituer un ensemble autonome portable, le réseau de micropompes comprend des micropompes fonctionnant par effet de transpiration thermique. Un avantage de telles micropompes est de ne comporter aucune pièce en mouvement, et donc aucune pièce susceptible de s'user à cause des frottements. On peut ainsi obtenir une According to an advantageous possibility, in particular for constituting an autonomous portable assembly, the micropump network comprises micropumps operating by thermal transpiration effect. An advantage of such micropumps is that they do not have any moving part, and therefore no part liable to wear out due to friction. We can thus obtain a
excellente fiabilité, et une absence de pertes dues au frottement. excellent reliability, and an absence of losses due to friction.
Egalement, de telles micropompes évitent de libérer dans Also, such micropumps avoid releasing into
l'atmosphère des particules indésirables. the atmosphere of unwanted particles.
En alternative, on peut toutefois utiliser des micropompes Alternatively, you can use micropumps
à micromembranes, ou des micropompes à effet piézo-électrique. with micromembranes, or piezoelectric effect micropumps.
L'atmosphère intérieure peut être contrôlée par des microcapteurs de température et de pression et un analyseur de gaz, commandant les micropompes par l'intermédiaire d'un The indoor atmosphere can be controlled by temperature and pressure microsensors and a gas analyzer, controlling the micropumps through a
microcalculateur embarqué.on-board microcomputer.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la Other objects, characteristics and advantages of the
présente invention ressortiront de la description suivante de modes present invention will emerge from the following description of modes
de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 illustre schématiquement en coupe une structure de réseau de micropompes à transpiration thermique, utilisable selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un dispositif de contrôle d'atmosphère selon un mode de réalisation de la présente invention; et - la figure 3 illustre l'utilisation d'un dispositif de contrôle d'atmosphère selon l'invention, dans un mode de réalisation of particular embodiments, made in relation to the attached figures, among which: - Figure 1 schematically illustrates in section a network structure of micropumps with thermal transpiration, usable according to the invention; - Figure 2 is a schematic sectional view of an atmosphere control device according to an embodiment of the present invention; and - Figure 3 illustrates the use of an atmosphere control device according to the invention, in one embodiment
portable pour fabrication de semi-conducteurs. portable for manufacturing semiconductors.
En se référant plus particulièrement à la figure 2, un dispositif de contrôle de l'atmosphère en minienvironnement selon l'invention comprend une enceinte individuelle 1 à paroi périphérique 2 étanche, conformée pour contenir un échantillon 3 et pour l'isoler de l'atmosphère extérieure en laissant à l'intérieur de l'enceinte individuelle 1 un volume réduit 4 autour de Referring more particularly to FIG. 2, a device for controlling the atmosphere in a mini-environment according to the invention comprises an individual enclosure 1 with a sealed peripheral wall 2, shaped to contain a sample 3 and to isolate it from the atmosphere outside leaving inside the individual enclosure 1 a reduced volume 4 around
l'échantillon 3. Par exemple, pour une tranche de substrat semi- sample 3. For example, for a semi-substrate slice
conducteur, la paroi périphérique 2 peut définir une chambre intérieure parallélépipédique plate dont les dimensions sont seulement légèrement supérieures à celles de la tranche de substrat. Un réseau de micropompes 5, solidaire de l'enceinte individuelle 1, est adapté pour générer et maintenir un vide contrôlé dans l'enceinte individuelle 1. Le réseau de micropompes 5 conductive, the peripheral wall 2 can define a flat parallelepiped interior chamber whose dimensions are only slightly greater than those of the substrate wafer. A micropump network 5, integral with the individual enclosure 1, is adapted to generate and maintain a controlled vacuum in the individual enclosure 1. The micropump network 5
est connectable à une source d'énergie électrique. is connectable to a source of electrical energy.
Des moyens de transfert, schématiquement illustrés par une porte 6 et un plateau de transfert 19 éventuellement motorisé et coulissant longitudinalement comme illustré par la double flèche , permettent d'introduire ou d'extraire l'échantillon 3 dans Transfer means, schematically illustrated by a door 6 and a transfer plate 19 optionally motorized and sliding longitudinally as illustrated by the double arrow, make it possible to introduce or extract the sample 3 into
l'enceinte individuelle 1.the individual enclosure 1.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'ensemble formé par l'enceinte individuelle 1 et le réseau de micropompes 5 est un ensemble autonome portable, incluant une source interne d'énergie électrique 7 pour alimenter au moins temporairement le réseau de micropompes 5 et ses organes de commande. Dans sa configuration portable, l'ensemble du dispositif peut avoir un diamètre de 200 à 500 mm environ, et une épaisseur de 30 à 50 mm environ. Egalement, dans ce mode de réalisation de la figure 2, le dispositif comprend en outre des microcapteurs, tels que par exemple un microcapteur de température 8, un microcapteur de pression 9, et un analyseur de gaz 10, pour contrôler l'atmosphère dans l'enceinte individuelle 1 et pour commander le réseau de micropompes 5 par l'intermédiaire d'un microcalculateur embarqué 11. Le microcalculateur 11 est programmé pour commander le fonctionnement des micropompes 5 de façon à stabiliser l'atmosphère In the embodiment of FIG. 2, the assembly formed by the individual enclosure 1 and the micropump network 5 is a portable autonomous assembly, including an internal source of electrical energy 7 to supply at least temporarily the micropump network 5 and its control members. In its portable configuration, the entire device can have a diameter of approximately 200 to 500 mm, and a thickness of approximately 30 to 50 mm. Also, in this embodiment of FIG. 2, the device further comprises microsensors, such as for example a temperature microsensor 8, a pressure microsensor 9, and a gas analyzer 10, for controlling the atmosphere in the individual enclosure 1 and for controlling the micropump network 5 by means of an on-board microcomputer 11. The microcomputer 11 is programmed to control the operation of the micropumps 5 so as to stabilize the atmosphere
dans l'enceinte individuelle 1 autour de l'échantillon 3. in the individual enclosure 1 around the sample 3.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, le réseau de micropompes 5 comprend des micropompes fonctionnant par effet de transpiration thermique. Selon l'effet de transpiration thermique, mis en évidence par Knudsen, lorsque deux grands volumes sont reliés par un canal de dimensions transversales très faibles, dont le rayon est inférieur au libre parcours moyen des molécules, et que les volumes sont à des températures différentes, une différence de pression s'établit entre les volumes. Avec une succession de canaux et de volumes, on peut donc générer une différence de pression depuis la pression atmosphérique jusqu'à un In the embodiment illustrated in FIG. 1, the network of micropumps 5 comprises micropumps operating by thermal transpiration effect. According to the thermal transpiration effect, highlighted by Knudsen, when two large volumes are connected by a channel of very small transverse dimensions, whose radius is less than the mean free path of the molecules, and that the volumes are at different temperatures , a pressure difference is established between the volumes. With a succession of channels and volumes, it is therefore possible to generate a pressure difference from atmospheric pressure to a
vide poussé.high vacuum.
Par exemple, sur la figure 1, en considérant deux chambres successives 12 et 13 reliées par un canal 14 de petite section, si la seconde chambre 13 est à température supérieure à la première chambre 12, avec par exemple une première chambre 12 à 300 K et une seconde chambre 13 à 600 K, la pression dans la seconde chambre 13 peut être 1,4 fois plus grande que la pression dans la première chambre 12. Le rapport des pressions est sensiblement proportionnel à la racine carrée du rapport des températures absolues des deux For example, in FIG. 1, considering two successive chambers 12 and 13 connected by a channel 14 of small section, if the second chamber 13 is at a temperature higher than the first chamber 12, with for example a first chamber 12 at 300 K and a second chamber 13 at 600 K, the pressure in the second chamber 13 can be 1.4 times greater than the pressure in the first chamber 12. The pressure ratio is substantially proportional to the square root of the ratio of the absolute temperatures of the of them
chambres 12 et 13.rooms 12 and 13.
Cet effet se produit même lorsque le canal 14 a une faible longueur, sa longueur étant toutefois suffisante pour permettre de conserver la différence de températures entre les deux chambres 12 This effect occurs even when the channel 14 has a short length, its length however being sufficient to allow the temperature difference between the two chambers to be preserved 12
et 13.and 13.
On comprend que l'on peut prévoir une pluralité de We understand that we can provide a plurality of
chambres reliées par une pluralité de canaux. chambers connected by a plurality of channels.
Ainsi, le réseau de micropompes 5 peut avantageusement comprendre une succession de chambres 12, 13 reliées par des canaux 14 dont au moins une dimension transversale est approximativement égale ou inférieure au libre parcours moyen des molécules de gaz présentes dans les micropompes 5, et avec des moyens pour créer et maintenir une différence de température entre les chambres Thus, the micropump network 5 can advantageously comprise a succession of chambers 12, 13 connected by channels 14 of which at least one transverse dimension is approximately equal to or less than the mean free path of the gas molecules present in the micropumps 5, and with means for creating and maintaining a temperature difference between the chambers
successives 12, 13 afin de générer un effet de pompage. 12, 13 in order to generate a pumping effect.
Cette pluralité de chambres et de canaux peut être réalisée sur des substrats par les procédés de micro-usinage couramment utilisés en microtechnologie. Plusieurs séquences (des milliers) peuvent alors être réalisées sur une plaquette entière, de manière à augmenter significativement la capacité de pompage du réseau, pouvant atteindre plusieurs centaines de mbar.L/sec., et de manière à avoir des séquences nominales et redondantes. Il est This plurality of chambers and channels can be produced on substrates by the micromachining methods commonly used in microtechnology. Several sequences (thousands) can then be carried out on an entire wafer, so as to significantly increase the pumping capacity of the network, up to several hundred mbar.L / sec., And so as to have nominal and redundant sequences. It is
important de noter qu'il n'y a aucune pièce en mouvement. important to note that there are no moving parts.
Dans un tel réseau de micropompes 5 à effet de transpiration thermique, il est nécessaire de créer et de maintenir une différence de température entre les chambres successives telles In such a network of micropumps 5 with thermal transpiration effect, it is necessary to create and maintain a temperature difference between the successive chambers such
que les chambres 12 et 13 afin de générer un effet de pompage. as the chambers 12 and 13 in order to generate a pumping effect.
Comme on l'a représenté à plus grande échelle sur la figure 2, un réseau de micropompes 5 à transpiration thermique selon l'invention peut comprendre une entrée de pompe 15 connectée au volume intérieur 4 de l'enceinte individuelle 1 et une sortie de pompe 16 connectée à la pression atmosphérique. Le réseau de micropompes 5 reçoit un gaz à faible pression par son entrée 15 et As shown on a larger scale in FIG. 2, a network of micropumps 5 with thermal perspiration according to the invention can comprise a pump inlet 15 connected to the interior volume 4 of the individual enclosure 1 and a pump outlet 16 connected to atmospheric pressure. The micropump network 5 receives a low pressure gas via its inlet 15 and
rejette le gaz à pression atmosphérique par sa sortie 16. rejects the gas at atmospheric pressure through its outlet 16.
Chacun des canaux de liaison tels que le canal 14 peut avoir une section transversale rectangulaire, plus facile à réaliser par micro-usinage, et au moins une dimension qui est approximativement égale ou inférieure au libre parcours moyen des molécules de gaz dans les conditions dans lesquelles elles se Each of the connecting channels such as channel 14 may have a rectangular cross section, easier to produce by micromachining, and at least one dimension which is approximately equal to or less than the mean free path of the gas molecules under the conditions under which they
présentent dans le canal 14.present in channel 14.
Pour générer l'effet de pompage, les moyens pour créer et maintenir une différence de température entre les chambres successives peuvent comprendre une résistance électrique 17 disposée de façon à chauffer les gaz dans la seconde chambre 13. La résistance électrique 17 peut avantageusement être disposée au voisinage de l'entrée de la seconde chambre 13 et alimentée par des To generate the pumping effect, the means for creating and maintaining a temperature difference between the successive chambers can comprise an electrical resistance 17 arranged so as to heat the gases in the second chamber 13. The electrical resistance 17 can advantageously be arranged at the near the entrance to the second chamber 13 and supplied by
moyens de commande et de régulation. control and regulation means.
En alternative, les moyens pour créer et maintenir une différence de température comprennent des jonctions à effet Peltier, logées par exemple au voisinage des entrées des chambres Alternatively, the means for creating and maintaining a temperature difference include Peltier effect junctions, housed for example near the entrances to the rooms
12 et 13 successives.12 and 13 successive.
Le substrat dans lequel sont réalisées les chambres 12 et The substrate in which the chambers 12 and
13 et les canaux 14 peut être de préférence un matériau semi- 13 and the channels 14 may preferably be a semi-material
conducteur tel que le silicium, la silice, l'arséniate de gallium, conductor such as silicon, silica, gallium arsenate,
le carbure de silicium.silicon carbide.
Pour des raisons de facilité de fabrication, on peut préférer des canaux à sections transversales rectangulaires, dans lesquels l'une des dimensions, telle que la largeur, est approximativement égale ou inférieure au libre parcours moyen des molécules. I0 Les gaz pompés hors de l'enceinte individuelle 1 traversent une pluralité d'étages à l'intérieur du réseau de micropompes 5. Les chambres et les canaux peuvent avoir une taille plus réduite au fur et à mesure que la pression de gaz augmente, car le libre parcours moyen des molécules décroît lorsque la pression gazeuse croit. Les dimensions typiques utilisées dans de telles micropompes à effet de transpiration thermique sont de For reasons of ease of manufacture, it is possible to prefer channels with rectangular cross sections, in which one of the dimensions, such as the width, is approximately equal to or less than the mean free path of the molecules. I0 The gases pumped out of the individual enclosure 1 pass through a plurality of stages inside the micropump network 5. The chambers and the channels may have a smaller size as the gas pressure increases, because the mean free path of molecules decreases when the gas pressure increases. Typical dimensions used in such micropumps with thermal perspiration effect are
quelques centaines de microns à moins de un micron. a few hundred microns to less than one micron.
Pour éviter la réalisation plus complexe de chambres et de canaux de très petites dimensions lorsque la pression du gaz à évacuer approche de la pression atmosphérique, on peut avantageusement concevoir un réseau de micropompes 5 comprenant en série au moins un étage primaire de micropompes à effet de transpiration thermique et au moins un étage secondaire de To avoid the more complex production of very small chambers and channels when the pressure of the gas to be evacuated approaches atmospheric pressure, it is advantageously possible to design a micropump network 5 comprising in series at least one primary stage of micropumps with effect of thermal perspiration and at least one secondary stage of
micropompes à effet piézo-électrique. piezoelectric effect micropumps.
Une utilisation possible du dispositif selon l'invention Possible use of the device according to the invention
est illustrée sur la figure 3.is illustrated in Figure 3.
Dans cette utilisation, on a représenté l'enceinte individuelle 1 sous forme d'un boîtier parallélépipédique plat, en illustrant l'échantillon 3 et un dispositif de porte 6. L'enceinte individuelle 1 peut avoir une taille de cassette, en fonction de la taille de l'échantillon 3, par exemple un diamètre de 200 à 500 mm In this use, the individual enclosure 1 is shown in the form of a flat parallelepiped box, illustrating the sample 3 and a door device 6. The individual enclosure 1 can have a cassette size, depending on the sample size 3, for example a diameter of 200 to 500 mm
environ et une épaisseur de 30 à 50 mm environ. approximately and a thickness of 30 to 50 mm approximately.
L'enceinte individuelle 1 contenant l'échantillon 3 peut être aisément déplacée manuellement jusqu'à un poste de travail 18 " dans lequel l'échantillon 3 est extrait de l'enceinte individuelle 1 tout en étant maintenu à une pression similaire de celle régnant dans l'enceinte individuelle 1, par exemple pour une étape The individual enclosure 1 containing the sample 3 can be easily moved manually to an 18 "workstation in which the sample 3 is extracted from the individual enclosure 1 while being maintained at a pressure similar to that prevailing in individual enclosure 1, for example for a stage
d'attaque ou de dépôt sous vide pour fabrication d'un semi- etching or vacuum deposition for making a semi
conducteur. Un autre exemple d'utilisation d'un dispositif selon l'invention est l'encapsulage d'un détecteur de système optique embarqué pour satellite, de manière à le protéger de l'humidité et des autres contaminants pendant les tests de contrôle spécifique driver. Another example of the use of a device according to the invention is the encapsulation of an on-board optical system detector for satellite, so as to protect it from moisture and other contaminants during the specific control tests.
avant mise sur orbite.before putting into orbit.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations qui sont à la portée de The present invention is not limited to the embodiments which have been explicitly described, but it includes the various variants and generalizations which are within the scope of
l'homme du métier.the skilled person.
Claims (9)
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